Для приведения во вращение вала, находящегося на относительно большом расстоянии от входного звена, используют передачи с гибкой связью. Эти передачи могут служить также для преобразования вращательного движения в поступательное (или наоборот). В большинстве случаев движение преобразуется за счет сил трения. Кроме того, применяют передачи гибкой связью с зацеплением и непосредственным соединением.

Виды и применение.

Во фрикционных передачах гибкой связью механическая энергия передается от входного шкива к выходному с помощью гибкого звена ремня. Такие передачи обеспечивают передаточное число до 7... 10, обладают плавным ходом, демпфируют и сглаживают колебания крутящего момента, имеют низкую стоимость, не нуждаются в смазке, работают в широком температурном диапазоне (от -30 до +80° С). Все эти благоприятные особенности обусловливают широкое применение ременных передач в системах автоматики и ЭВМ.

Передачи гибкой связью с зацеплением работают без проскальзывания и поэтому пригоняются там, где нужно иметь строго фиксированное положение выходного звена при заданном перемещении входного звена.

Передачи гибкой связью с непосредственным соединением служат для преобразования движения с высокой точностью на относительно больших расстояниях и используются в точных отсчетных и других механизмах. Например, передача для линеаризации шкалы прибора (рис. 1, а) состоит из некруглых шкивов 1 и 3, которые связаны между собой гибкой лентой 2. Концы ленты жестко закреплены на кулачках, что исключает возможность проскальзывания и обеспечивает точное перемещение ведомого звена.

В состав вспомогательных устройств приборов входят также трособлочные механизмы, в которых для передачи движения используются как силы трения, так и непосредственное соединение гибкого троса со входным и выходным звеньями. На рис. 1, б представлена схема трособлочного механизма настройки радиоприемника. Входное звено — валик 1, выходные — указатель 2 шкалы 3 и шкив 4, на валике которого закреплена подвижная часть конденсатора переменной емкости. Эти звенья соединяются между собой тросиком 6. Связи 6-1 и 6-4 фрикционные, а 6-2 — непосредственным соединением. Устройства подобного типа позволяют просто и точно осуществить прямолинейное

движение указателя 2 относительно шкалы 3. Для предотвращения проскальзывания тросик 6 несколько раз оборачивается вокруг валика 1; натяжение тросика осуществляется пружинами 5. При передаче вращательного движения аналогичные механизмы в случае малых нагрузок могут иметь большое передаточное число — до 30...40.

Рис. 1.

В устройствах вычислительной техники, в приборах и роботах ременные передачи применяют для преобразования движения между относительно удаленными валами. Например, в приводе одного из алфавитно-цифровых печатающих устройств ЭВМ ременные передачи применяются во всех трех основных механизмах: вращения цифрового барабана, перемещения красящей ленты и протяжки бумаги. Здесь цифровой барабан 13 (рис. 2) приводится во вращение от двухскоростного двигателя 11 ременной передачей, состоящей из шкивов 10 и 14, соединенных ремнем 12. Перемотка красящей ленты 9 с катушки 8 на катушку 1 осуществляется от двигателя 5 ременной передачей 4 и фрикционными роликами 3, 6, 7. В обратном направлении лента 9 перематывается после установки промежуточного ролика 6 в положение 2. Бумажная лента 75 перемещается в стартстопном режиме транспортными барабанами 16 и 17, которые получают вращение от двигателя 20 через двухступенчатую передачу 19-18.

Ременные передачи используются также для приведения в движение нескольких рабочих органов, вращающихся в разных направлениях. Так, в механизме перемещения магнитной ленты системы внешней памяти ЭВМ ременная передача обеспечивает вращение тянущих роликов 3 и 2 в противоположных направлениях (рис. 18.3). Здесь входной 1 и выходные 4 и 5 шкивы охватываются ремнем 6; ролик 7 — натяжной. На цилиндрических поверхностях тянущих роликов имеются прорези; прижатие магнитной ленты 8 к одному из тянущих роликов обеспечивается созданием разрежения воздуха внутри ролика.

Рис. 2.

Рис. 3.

Ремни в поперечном сечении могут быть плоскими (рис. 4, а), клиновыми (рис. 4, б), круглыми (рис. 4, в). Наиболее проста в конструктивном отношении передача с плоским ремнем; в ней можно применять шкивы меньших диаметров по сравнению с другими ременными передачами, т. е. плоскоременная передача наиболее компактна. Ее недостатки — относительно высокий уровень проскальзывания, а также большие силы в опорах. Материалом для плоских ремней служат хлопчатобумажные ткани, кожа, различные синтетические материалы. В приборах применяют также плоские ремни толщиной до 0,25 мм из полиэфирной пленки.

Клиновые ремни применяют для увеличения нагрузочной способности и уменьшения проскальзывания по аналогии с жесткими клиновыми фрикционными колесам. Клиноременные передачи используют обычно для мощностей более 30...50 Вт. Для больших мощностей передачу выполняют с несколькими ремнями (иногда до 20...25). Давление на опоры клиноременной передачи примерно в 1,3 раза меньше, чем в плоскоременной; следствие этого - меньшие потери в опорах и их большая долговечность.

Передачи с круглым ремнем (пассиком) используют в звуко- и видеозаписывающих приборах, системах контроля и т. д. В канавке шкива (рис. 4,в) круглый ремень деформируется, чем достигается тот же эффект, что и при клиновом ремне. Круглоременные передачи работают при меньших натяжениях по сравнению с другими видами ремней, допускают большие неточности взаимного положения шкивов, могут работать в разных плоскостях без скручивания, дешевле клиноременных передач.

Рис. 4.

Круглые ремни изготовляют в основном из нитриловых резин или неопрена. Первые обеспечивают хорошие упругие свойства и удовлетворительно сопротивляются абразивному износу, но плохо переносят атмосферу озона и ультрафиолетовое излучение. Неопреновые ремни имеют обратные свойства. Наилучшая форма канавки шкива — полукруг. Наибольшую долговечность ремня, а также минимальное проскальзывание обеспечивает канавка такого же радиуса, как номинальный радиус ремня.

Передаточное отношение механизма (рис. 5)

(1)

где г₁ и г₂ — расчетные радиусы шкивов 1 и 2; — относительное упругое скольжение ремня.

; для плоских ремней r_min = (12...25) ; для клиновых ремней r_min = (2,5...4)

, где d, и h — размеры ремней по рис. 4.

Рис. 5.

Кроме размеров г₁ и г₂ при геометрических расчетах определяют углы обхвата ремнем шкивов , а также длину ремня L. После того как межосевое расстояние а определено из конструктивных соображений, значения и L можно рассчитать по формулам, полученным по рис.5:

(2)

(3)

(4)

где — угол (см. рис. 5); — наименьший допускаемый угол обхвата малого шкива: для плоских ремней ; для круглых и клиновых .

В соответствии с формулами (2) — (4) на рис. 6 построены кривые, с помощью которых можно найти значения , зная значения параметров .

Для нормальной работы передачи ремень должен иметь предварительное натяжение F₀. Когда шкивы не вращаются, обе ветви ремня натянуты одинаково. При передаче энергии натяжение ведущей ветви F₁ > F₀, а ведомой F₂ < F₀. В случае предельной нагрузки натяжения F₁ и F₂ связаны формулой Эйлера:

, (5)

f—коэффициент трения между шкивом и ремнем: при ориентировочных расчетах можно принимать ; —угол обхвата ремнем малого шкива, рад (в трособлочных передачах этот угол может быть больше ).

Для малонагруженных ременных передач верны формулы Понселе:

, (6)

где — передаваемая окружная сила;

Решив совместно уравнения (5) и (6), получим наибольшую окружную силу

. (7)

Рис. 6.

Однако при реализации такой силы передача работает неустойчиво, поэтому обычно . При уменьшении силы F_t по сравнению с F_tmax натяжение ремня изменяется только в пределах углов дуг скольжения , когда ремень скользит относительно шкива растягиваясь или сжимаясь. В пределах углов дуги покоя натяжение постоянно и скольжение отсутствует (см. рис. 5). С учетом наличия дуг покоя формулы (5) и (7) примут вид

; (8)

. (9)

В передачах приборов проверочный расчет ремня не проводят ввиду малых нагрузок. В этом случае по известным геометрическим размерам передачи и значению момента Т₁ на входном шкиве определяют минимальное предварительное натяжение ремня F₀, обеспечивающее работу передачи без пробуксовывания. Расчет рекомендуется вести в следующем порядке: определяют передаваемую окружную силу ; по формуле (2) или по графику (рис. 6) находят угол обхвата малого шкива; угол дуги скольжения определяют из соотношения ; необходимое предварительное натяжение рассчитывают на основании зависимости (9):

. (10)

Если передаточное отношение меньше единицы, то в формулу (10) вместо угла подставляют значение . Чтобы ведомая ветвь ремня была натянута, должно выполняться неравенство .

В силовых приводах механических систем проводят расчеты ремня и шкивов на прочность.

Передачи гибкой связью с зацеплением выполняют цепными, с перфорированной лентой и зубчатым ремнем. Их применение позволяет полностью избежать проскальзывания; давление на валы значительно меньше, чем у фрикционных передач гибкой связью.

Рис. 7.

В передачах перфорированной лентой зубчатые барабаны 1 соединены гибкой перфорированной лентой 2 (рис. 8, а), которую изготовляют чаще всего из стали. Минимальный радиус г барабана связан с толщиной 5 стальной ленты зависимостью г =120 . Широко применяется передача перфорированной лентой в принтерах персональных ЭВМ. Здесь лента имеет не только транспортные перфорации, но и кодовые; такая лента служит синхронизатором, передавая процессору информацию о положении печатающих валиков (рис. 8, б).

Рис. 8.

Электродвигатель 6 через червячную передачу 5 вращает ролик 4 протяжки бумаги и шкив 1, с которым зацепляется перфолента 2, играющая роль синхронизатора; необходимое натяжение обеспечивается растянутой пружиной 3. Фотодатчик Ф передает соответствующую информацию процессору.

В приводах автоматических устройств и ЭВМ широко применяют передачи с плоским зубчатым ремнем (рис. 9, а). Здесь ремень имеет зубья, которые зацепляются с зубьями шкивов 2. Передача компактна, проскальзывание полностью отсутствует, шум и вибрация меньше, чем у зубчатой цилиндрической передачи, изготовленной с высокой степенью точности; обеспечивается строго фиксированное относительное положение шкивов. Например, в устройстве печати персональной ЭВМ применены три зубчато-ременные передачи (рис. 9,б): главный вал III приводится в движение от электродвигателя 1 с помощью двухступенчатого зубчато-ременного механизма 2-3. На валу III закреплен шкив 4 третьей передачи с зубчатым ремнем 5, который перемещает печатающую головку 6.

Рис. 9.

В робототехнике зубчато-ременные передачи часто используют для связи с датчиками положения и скорости. На рис. 10 приведена схема механизма подъема платформы промышленного робота. При включении двигателя М гайка механизма 1-2 перемещается по стрелкам Б, рычажный механизм ОАВС поднимает или опускает платформу 4; контроль движения по скорости осуществляется тахогенератором ТГ, ротор которого вращается зубчато-ременной передачей 5; контроль положения обеспечивает датчик ДП, приводимый во вращение аналогичной передачей 3.

Зубчатые ремни делят на две группы: силовые, используемые в общем машиностроении при мощностях до 500 кВт и окружных скоростях до 80 м/с; кинематические, предназначенные для применения в приводах точной механики. Зубчатые ремни изготовляются в основном из армированного неопрена или полиуретана. Зубья ремня имеют прямолинейное очертание, а зубья шкивов — прямолинейное или эвольвентное. Для устранения сбегания ремня со шкива последний имеет боковые фланцы; возможно выполнение фланцев только на одном из шкивов. Шкивы изготовляют из стали, цинковых сплавов, алюминия или пластмасс.

Рис. 10.

u = 12, ее кпд ; основные характеристики ремня — модуль т, определяемый, как и в зубчатых передачах, отношением шага к числу ; общая толщина H; высота зуба h; толщина вершины зуба s, угол профиля и ширина b ремня (см. рис. 5, а). Для устройств вычислительной техники применяются модули 2, 3 и 4 мм, которым соответствуют следующие размеры ремня (мм):

При проектировании кинематической передачи с зубчатым ремнем рассчитывают лишь геометрические размеры шкивов, необходимые для получения требуемого передаточного отношения: расчетный диаметр шкива , число зубьев шкива для малых модулей т, число зубьев большого шкива .

Вариаторы с гибкими связями.

На основе фрикционных передач с гибкой связью сконструированы вариаторы. Например, плоскоременная передача на рис. 11 обеспечивает переменную угловую скорость выходного вала II. Здесь на ведущем валу I посажен диск 3 с радиальными прорезями 4, в которых свободно установлены оси малых шкивов 5. Шкивы соединены со своими осями муфтами свободного хода. При синхронном радиальном смещении осей шкивов 5 изменяются расчетный радиус г₃ и передаточное отношение механизма; расчетный радиус шкива 1 не меняется. Ролик 6 с пружиной 7 обеспечивает необходимое натяжение ремня 2.

Клиноременные вариаторы.

Клиноременную передачу также можно преобразовать в вариатор. Для этого на вал насаживают полушкивы 1 и 2 (рис. 12), которые могут смещаться в осевом направлении один относительно другого. В исходном положении I расчетный радиус входного шкива , выходного , а передаточное отношение . При перемещении полушкива 2 в положение II расчетный радиус входного шкива увеличивается до г₁₁. Если радиус второго шкива в это же время уменьшается до г₂₁, то передаточное отношение падает до .

Для обеспечения передачи требуемой мощности натяжение ремня должно быть примерно постоянным, что достигается применением натяжного ролика Р с пружиной П. Натяжной ролик используется также, если один шкив раздвижной, а второй — обычный.

Диапазон Д регулирования клиноременного вариатора определяется геометрическими размерами ремня 3 и минимальным радиусом шкива r_min. Для клиновых ремней . Увеличить диапазон регулирования до 8... 10 можно путем увеличения отношения ширины b ремня к его высоте h и уменьшения радиуса r_min. Увеличение параметра b/h достигается применением так называемых широких ремней (рис. 12, б), а уменьшение r_min — применением клиновых ремней с гофрами (рис. 12, в), которые имеют в 1,5...2 раза меньшую изгибную жесткость и при одинаковом уровне напряжений допускают меньшие значения r_min.

Рис. 11.

Рис.12.

Клиноременные вариаторы получили большое распространение благодаря относительно простой конструкции, а также из-за того, что по сравнению с другими вариаторами они имеют наиболее высокий кпд и наименьший шум.

Клиноременные вариаторы применяют как составную часть систем автоматического регулирования и управления. Вариатор может автоматически изменять свое передаточное отношение в зависимости от значения крутящего момента или угловой скорости (рис. 14). При увеличении угловой скорости вала

смещается влево; передаточное отношение уменьшается так, что угловая скорость вала

остается неизменной. При уменьшении пружина 3 сближает грузики, передаточное отношение растет до тех пор, пока скорость вала не достегает номинала.

Рис. 13.

Рис.14.

Силовой расчет. В автоматических системах с клиноременными вариаторами регулирующий элемент (пружина, центробежный регулятор и т. д.) перемещает подвижную часть шкива, преодолевая осевую силу F_x, с которой ремень действует на шкив. Поэтому один из основных расчетных параметров — значение силы F_x. Выведем формулу для расчета этой силы, считая коэффициенты трения постоянными и пренебрегая радиальной составляющей силы трения.

Из ремня, охватывающего шкив, выделим элемент 1, соответствующий центральному углу (рис. 15). Этот элемент растягивается силами F и , и на него действуют элементарные силы dF_n нормального давления со стороны шкива. Используя условие равновесия , получим: или, пренебрегая бесконечно малыми второго порядка,

.

Осевая составляющая силы dF_n

.

Элементарные силы dFx параллельны оси вращения, т. е. взаимно параллельны. Их равнодействующая

, (11)

где —угол охвата, который состоит из угла скольжения и угла дуги покоя . Углы и определяются из формулы Эйлера (5):

.

Так как в пределах дуги скольжения натяжение F переменно, а в пределах дуги покоя F = F₁ для ведущего шкива и F = F₂ для ведомого, то из формулы (11) получим:

для ведущего шкива

;

о для ведомого шкива

.

Сопоставление полученных формул с экспериментальными данными показывает, что при расчетах систем автоматического управления они могут быть использованы при значениях коэффициента тяги , т. е. практически во всем диапазоне работы клиноременной передачи.